好氧水解对玉米秸秆厌氧发酵特性的影响研究

发布时间：2020-05-25 15:27

【摘要】：中国每年都会产生大量的农业废弃物,在品种庞杂的农业废弃物中,富含糖类聚合物的玉米秸秆的年产量占到总数的30%左右。将玉米秸秆转化为可用资源正受到越来越多的关注,其中厌氧发酵产沼气是实现农作物秸秆向清洁能源转换的重要方法之一~([1])。在玉米秸秆厌氧发酵的过程中,厌氧微生物活动所需的碳源主要由纤维素和半纤维素提供。但是这类富含碳水化合物的糖类物质被秸秆中的木质素紧密包围,阻碍了微生物的利用。目前已经有许多研究证明了木质素在有氧情况下的降解效果更好,因此采用好氧水解的方式对玉米秸秆进行处理可以有效破坏底物的结构,从而提高厌氧发酵的产气性能。另外,好氧水解处理技术所具备的低能耗和无污染的特点也使得这种处理方式更为优异~([2-3])。为了进一步探明玉米秸秆在好氧水解过程中不同影响因素对物质转换及产气情况的影响,通过试验对玉米秸秆好氧水解的时间、底物浓度和曝气时间间隔三个因素进行分析。得到的主要结论如下。(1)木质纤维素的降解率经好氧水解后有明显提高,好氧水解24 h后木质素、纤维素和半纤维素分别降解了8.02%,25.73%和28.80%。挥发性脂肪酸(VFAs)的累积速率在水解16 h后开始大幅减缓,好氧水解16 h时乙酸的累积浓度达到223.16 mmol/L,且经水解16h的玉米秸秆产气性能表现最好,累计挥发性固体(VS)产甲烷率和VS降解率较对照组分别提高了21.33%和3.97%。好氧水解处理可以有效提高底物的厌氧发酵性能,且16 h左右为合适的水解时间。(2)一定范围内提高好氧水解底物浓度可以促进底物的降解效率,同时提高厌氧发酵的产气性能。好氧水解浓度为10%的试验组表现较好,该组木质素、纤维素和半纤维素在好氧水解16h后的降解率分别为8.53%、22.74%和27.82%。从酸化情况来看,乙酸和丁酸是好氧水解过程中VFAs的主要组成成分,两者的和在各组中均占到总VFAs含量的70%以上。10%浓度的产气性能相较于其它浓度也较好,原料中总固体(TS)和VS产甲烷率分别为209.18mL/g和251.01 mL/g。(3)不同曝气时间间隔对玉米秸秆的木质纤维素降解情况会产生较大的影响。曝气间隔在4 h以内两组的木质纤维素的降解情况较好,水解24 h后两组的木质素降解率都可以达到9%以上,半纤维素降解率可达到28%以上。水解结束时,各组的纤维素降解率在27.97~16.2%的范围内。从产气情况来看,好氧水解组的产气情况均优于单相厌氧对照组。曝气间隔4 h组的产气性能最好,TS、VS产甲烷率分别为215.87 mL/g和259.05 mL/g,较对照组提高了30.37%。从产气性能和节能的角度来看,将曝气间隔时间控制在4 h左右较为合适。(4)通过响应曲面法得到的多元二次回归方程对本研究的拟合情况较好。最优玉米秸秆好氧水解参数为水解时间17.33 h,底物浓度10.47%,间隔曝气时间为2.88 h,该条件下累积甲烷产量预测值为15.91 L,VS产甲烷率为256.61 mL/g。好氧水解底物浓度在三个因素中对累积甲烷产量影响最大。试验值同模型预测值较为接近,响应曲面法对于好氧水解后玉米秸秆的厌氧发酵研究具有一定的可靠性。
【图文】：

世界能源,消费结构

1.1.1 研究意义能源是人类生活质量保障的基础，更是社会发展的根本，它的这些重要性使其一直受到全世界的密切关注。从图1-1的能源消费比例中可以看出化石燃料一直是人类所需能源的主要提供者。但是能源不可再生的特点导致其储量逐渐减少，渐渐不能满足人类日益增长的需求[4]。虽然随着勘探技术的革新，化石燃料近年已探明的产量在逐渐增长，但据相关的研究者们粗略估计，地球上已探明的静态石油还可供人类开采40-50年、天然气64年、煤炭226年，预计石油和煤炭可供人类再使用160-200年[5]。也就是说，如果不能尽快找到可以替代一次能源的新型能源，那么人类将很快面临能源枯竭的可怕前景。目前，可以用作替代品的可再生能源的研究正受到世界各国研究学者们的瞩目。图 1-1 世界能源消费结构图Fig. 1-1 World energy consumption structure随着社会的进步，对能源的消耗也在不断地变多，自新中国成立以来，中国能耗的增长速率已经达到了年均8.25%。据BP2017全球能源报告统计

世界石油,沼气

图 1-2 2016 年世界石油储量分布图Fig. 1-2 World oil reserve distribution in 2016生物质能源在世界一次能源供应结构中占比10%左右，是在原有能源结构：石油、煤天然气后出现的一种新型重要能源[9]。在可再生能源的供能量中占比75%[10]。生物质能来源是储存于生物体内的太阳能，通过生物或化学的方法对生物质原料进行处理，进而为可被直接利用的清洁能源[11-12]。生物质原料的种类复杂多样，农作物秸秆、畜牧废弃物市有机废物、能源作物等都可以作为生物质能的原料。这对于地域辽阔，，生物质资源丰中国来说，选择生物质能源进行开发和研究是最为符合我国国情的[13]。目前世界上对生能的研究主要集中于沼气、燃料乙醇和生物柴油这三种高品位能源的转化。其中沼气作种高热值的气体，在用于传统薪柴、燃煤等厨房燃料的替代上有巨大的优势，表1-1的数示出使用沼气作为厨房能源的用户的室内环境明显要优于燃煤用户[14]。而且目前沼气发术的研究也已经比较成熟，对于缓解农村的能源短缺有重要的意义。表1-1 沼气用户和燃煤用户的室内环境质量比较单位：kg/mTable 1-1 Comparison of indoor environment quality of biogas users and coal-fired users项目 CO SO2CO2总悬浮颗粒物沼气用户 2.138 0.116 0.057 0.238
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S216.4

【参考文献】